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        臨泉縣城區(qū)深層地下水超采區(qū)數(shù)值模擬與調(diào)控研究

        2022-10-18 13:31:56白璐璐
        地下水 2022年5期
        關(guān)鍵詞:研究

        白璐璐

        (阜陽市水資源管理處,安徽 阜陽 236001)

        0 前言

        黨中央、國務(wù)院高度重視地下水管理與保護工作。2017年,水利部、原國土資源部聯(lián)合印發(fā)《全國地下水利用與保護規(guī)劃》,明確了全國地下水超采區(qū)治理的目標、任務(wù)與措施。2020年《水利部辦公廳關(guān)于開展地下水管控指標確定工作的通知》要求盡快開展全國地下水管控指標確定工作[1]。同年,《水利部辦公廳關(guān)于開展重點區(qū)域地下水超采治理與保護方案編制工作的通知》要求盡快開展重點區(qū)域地下水超采治理與保護方案編制。臨泉縣是安徽省實施地下水超采治理的重點對象之一。多年來,臨泉城區(qū)居民生活和工業(yè)用水靠開采地下水,中深層地下水嚴重超采,已形成480 km2的地下水漏斗區(qū),開展地下水調(diào)控研究非常必要[2]。

        按照國家地下水超采治理工作的部署和要求,結(jié)合臨泉縣實際,開展臨泉縣深層地下水調(diào)控方案研究,對保障臨泉縣供水安全,以及實現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用,具有重要的現(xiàn)實意義和長遠的戰(zhàn)略意義。

        1 研究區(qū)概況

        臨泉縣地處黃淮平原的西南端,安徽省的西北部,縣域內(nèi)主要河流有泉河、谷河、洪河、潤河、涎河、流鞍河,沒有湖泊和水庫,屬于水資源緊缺地區(qū)。臨泉縣國土面積為1 839 km2,2020年戶籍人口231.3萬(常住人口165.84萬)。全縣常住人口中,居住在城鎮(zhèn)的人口為505 006人,占30.45%。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,城鎮(zhèn)化率將不斷增加。

        根據(jù)《安徽省地下水超采區(qū)治理方案》,臨泉縣地下水超采區(qū)面積為415.6 km2,由于地下水的大量開采,導(dǎo)致中深層地下水嚴重超采,至2020年,已形成480 km2的地下水漏斗區(qū),未來臨泉縣水資源供需矛盾將更加突出[3]。

        2 臨泉縣城區(qū)深層地下水數(shù)值模型構(gòu)建

        本文利用地下水數(shù)值模擬的方法來實現(xiàn)臨泉縣城區(qū)深層地下水調(diào)控[4-6]。

        2.1 模擬區(qū)范圍確定

        結(jié)合臨泉縣周邊的區(qū)域地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地形地貌特征和地下水資源規(guī)劃利用情況,確定了臨泉縣城區(qū)附近6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為模擬范圍,模擬區(qū)總面積266.88 km2。模擬區(qū)地下水數(shù)值模型的范圍及其具體位置如圖1所示。

        圖1 模擬區(qū)范圍及位置圖

        2.2 水文地質(zhì)概念模型

        2.2.1 含水層結(jié)構(gòu)

        研究區(qū)地下水主要賦存于新生界松散巖類孔隙含水層組中,按地下水埋藏條件和水力學(xué)性質(zhì),可分為孔隙潛水和孔隙承壓水。臨泉縣主要超采區(qū)位于第二承壓含水層,與第一承壓含水層(組)之間,發(fā)育厚度大且分布穩(wěn)定的粘土層,承壓含水層水力聯(lián)系差。因此本次模型概化為第二承壓含水層單層水流運動模型。

        2.2.2 源匯項

        模擬范圍內(nèi)第二含水層的主要補給源為側(cè)向徑流補給。排泄項主要有人工開采、側(cè)向地下水徑流等。人工開采主要用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村生活用水,地下水開采對局部地下水流場有影響,收集研究區(qū)內(nèi)所有抽水井點的抽水資料,將抽水井(包括38眼抽水井和15眼自備井資料)數(shù)據(jù)匯總分析,模擬區(qū)內(nèi)抽水井分布位置主要分布在城區(qū)范圍內(nèi),見圖2。

        根據(jù)模擬區(qū)資料以及該區(qū)域含水層的結(jié)構(gòu),模擬區(qū)內(nèi)含水層的參數(shù)隨空間變化,體現(xiàn)出非均質(zhì)性;模型考慮取水井的開采,地下水流為非穩(wěn)定流。因此,將模擬區(qū)地下水流概化成非均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)。

        圖2 模擬區(qū)內(nèi)抽水井及自備井分布位置圖

        2.3 地下水水流數(shù)值模型

        2.3.1 模型剖分

        選取Visual Modflow軟件中的MODFLOW模塊對臨泉縣第二承壓含水層模擬區(qū)內(nèi)地下水的運動方向及地下水水資源量進行模擬。含水層剖分為1層,共剖分有效單元約20 458個。單元格面積為100 m×100 m。模型頂板高程是通過分析研究區(qū)內(nèi)深孔揭露第二承壓含水層頂板高程值,采用surfer中克里金插值方法獲??;含水層底板無法確定,本次采用含水層厚度為特定深度進行計算,其底板高程對于本次模擬計算影響微小。模擬區(qū)頂板高程如圖3所示,含水層整體較平整,局部頂板深度較深。

        2.3.2 含水層參數(shù)設(shè)置

        將地層分為單層承壓含水層,主要巖性為砂礫石,模擬區(qū)基本為均質(zhì)含水層,含水層巖性單一,滲透系數(shù)3~7 m/d,貯水系數(shù)10-5~10-6,給水度0.01~0.1。第二承壓含水層為生活用水、工業(yè)釀酒及工業(yè)生產(chǎn)開采含水層,滲透系數(shù)、給水度參考本地區(qū)單井抽水試驗數(shù)據(jù)。

        圖3 模擬區(qū)頂板高程圖

        2.3.3 模型識別

        本次模型地下水水動力參數(shù)率定采用模擬計算值與實際觀測值對比,通過計算水位和實測水位擬合分析,反復(fù)調(diào)整參數(shù),最終得到了含水層參數(shù)。經(jīng)過模擬計算,監(jiān)測井模擬計算值與實際觀測值率定結(jié)果均在95%置信區(qū)間內(nèi),模型識別取得了較為理想的效果,說明建立的模型是可靠的。

        3 臨泉縣城區(qū)深層地下水數(shù)值模擬研究

        3.1 模擬區(qū)深層地下水用水現(xiàn)狀

        研究區(qū)深層地下水現(xiàn)狀用水按照用水主體主要劃分為以下兩個部分,第一部分為市政用水,主要為城區(qū)居民生活用水,其供水水源井性質(zhì)為市政所有,2020年取水量達4.53萬 m3/d。第二部分為企業(yè)用水,為企業(yè)的工業(yè)用水,其供水水源井性質(zhì)為企業(yè)自備水源井,2020年取水量達0.44萬 m3/d。

        3.2 模擬區(qū)深層地下水開采量

        通過對臨泉縣中心城區(qū)所有深層地下水開采水源井的開采量進行了統(tǒng)計,市政水源井日均單井開采量約為70 m3/h,而企業(yè)自備井日均單井開采量約17 m3/h。從分布上來看,自備井主要分布在經(jīng)開區(qū),此外在老城區(qū)也有零散分布,而市政水源井集中于老城區(qū)范圍。

        3.3 模擬區(qū)深層地下水現(xiàn)狀方案設(shè)定

        根據(jù)臨泉縣現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)劃確定臨泉縣深地下水開采現(xiàn)狀方案(表1),2021-2025年期間研究區(qū)內(nèi)所有市政井和自備井正常開采,同時根據(jù)臨泉縣未來需水量,市政開采井每年以0.58萬 m3/d的需水量增加,未來5年自備井中深層地下含水層的需水量每年固定為0.44萬 m3/d。從2026-2030年,隨著引江濟淮工程通水,臨泉縣深層地下水市政井及自備井全部封停備用。

        表1 臨泉縣深層地下水開采現(xiàn)狀方案

        3.4 模擬預(yù)測結(jié)果

        根據(jù)現(xiàn)狀臨泉縣城區(qū)深層地下水開采量和未來十年臨泉縣深層地下水開采規(guī)劃,模擬得到未來十年臨泉縣城區(qū)深層地下水含水層水位變化情況,見下圖4。結(jié)果表明:2021-2025年,第一年底、第二年底以及第五年底研究區(qū)降落漏斗最深水位分別下降約至-27.8 m、-29 m以及-34 m,降落漏斗持續(xù)增大;2026-2030年,隨著引江濟淮地表水置換地下水,地下水停止開采,研究區(qū)深層地下水含水層受測量補給,水位逐漸恢復(fù)。

        圖4 臨泉縣城區(qū)未來十年地下水流場變化圖

        4 臨泉縣城區(qū)深層地下水調(diào)控研究

        4.1 調(diào)控方案設(shè)計

        以壓采-置換為調(diào)控原則,在現(xiàn)狀研究區(qū)開采布局的基礎(chǔ)之上,對深層地下水開采量進行優(yōu)化調(diào)整,結(jié)合研究區(qū)附近地表水或淺層地下水的開發(fā)利用,研究設(shè)計3種研究區(qū)深層地下水開采調(diào)控方案,具體方案見下

        方案A:將研究區(qū)內(nèi)自備井全部封停備用,其他市政開采井每年以0.58萬 m3/d開采量增加。

        方案B:將研究區(qū)內(nèi)自備井全部封停備用,其他市政開采井穩(wěn)定以4.53萬 m3/d開采量定量開采。

        方案C:將研究區(qū)內(nèi)自備井全部封停備用,其他市政開采井每年以4.53萬 m3/d開采量定量開采,此外關(guān)閉國家觀測井方圓1.5 km的市政開采井。

        4.2 調(diào)控結(jié)果

        通過對比現(xiàn)狀方案與調(diào)控方案下監(jiān)測井水位變化情況(圖5),結(jié)果表明:現(xiàn)狀壓采方案下,監(jiān)測井水位降深值最大,恢復(fù)水位高差最大;方案C條件下監(jiān)測井水位降深值最小,恢復(fù)水位高差最??;各方案相較現(xiàn)狀方案對限采區(qū)的影響均有所削減,結(jié)合區(qū)域政策性的地下水管理輔助手段,可逐步實現(xiàn)區(qū)域地下水資源的合理開發(fā)利用,控制限采區(qū)超采所誘發(fā)的一系列環(huán)境水文地質(zhì)問題。但由于各方案對開采量的壓采程度有一定區(qū)別,總體上方案B、C在限采區(qū)的正效應(yīng)要優(yōu)于方案A,但3種方案選擇需根據(jù)研究區(qū)實際情況及經(jīng)濟條件進行壓采方案選擇。

        圖5 各調(diào)控方案監(jiān)測井水位模擬計算結(jié)果

        5 結(jié)語

        以臨泉縣城區(qū)及周邊地區(qū)為研究區(qū),開展了臨泉縣深層地下水數(shù)值模擬與優(yōu)化調(diào)控方案研究。以壓采-置換為調(diào)整原則,在現(xiàn)狀研究區(qū)開采布局的基礎(chǔ)之上,對深層地下水開采量進行優(yōu)化調(diào)整,結(jié)合地表水、淺層地下水的開發(fā)利用,研究設(shè)計3種深層地下水開采管理調(diào)控方案。各調(diào)控方案相較現(xiàn)狀方案對研究區(qū)的影響均有所削減,結(jié)合區(qū)域政策性的地下水管理輔助手段,可逐步實現(xiàn)區(qū)域地下水資源的合理開發(fā)利用,控制限采區(qū)超采所誘發(fā)的一系列環(huán)境水文地質(zhì)問題。

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